INM 308 Zemin Mekaniği - PDF
Download "INM 308 Zemin Mekaniği"
Nesrin Deniz Akşit
1 Hafta_3 INM 308 Zemin Mekaniği Zeminlerde Kayma Direnci Kavramı, Yenilme Teorileri Yrd.Doç.Dr. İnan KESKİN
2 ZEMİN MEKANİĞİ Haftalık Konular Hafta 1: Hafta : Hafta 3: Hafta 4: Hafta 5: Hafta 6: Hafta 7: Hafta 8: Hafta 9: Zemin Etütleri Amacı ve Genel Bilgiler Kil Minarelleri ve Zemin Yapısı Zeminlerde Kayma Direnci Kavramı, Yenilme Teorileri Zeminlerde Kayma Direncinin Ölçümü; Serbest Basınç Deneyi, Kesme Kutusu Deneyi, Üç Eksenli Basınç Deneyi, Vane Kanatlı sonda Deneyi Zeminlerde Kayma Direncinin Belirlenmesine Yönelik Deneyler; Laboratuvar Uygulaması Zeminlerde Kayma Direncinin Belirlenmesine Yönelik Problem Çözümleri Yanal Zemin Basınçları Yanal Zemin Basınçları Uygulamalar Yamaç ve Şevlerin Stabilitesi; Temel Kavramlar Hafta 10: Yamaç ve Şevlerin Stabilitesi Örnek Problemler Hafta 11: Zeminlerin Taşıma Gücü; Sığ Temeller Hafta 1: Zeminlerin Taşıma Gücü; Kazıklı Temeller Hafta 13: Zemin Özelliklerinin İyileştirilmesi Hafta 14: Genel zemin Mekaniği Problem Çözümleri Hafta 15: Final Sınavı
3 KAYMA DİRENCİ - MUKAVEMETİ Bir temel yada şev üzerindeki yükler yada gerilmeler kabul edilen deformasyon sınırlarını aşıncaya kadar artırıldığında zemin göçer. Yani zeminlerde göçme meydana gelmesi için olası bir kayma düzlemi boyunca kayma mukavemetinin aşılması gerekir. Genel olarak göçme, belli bir kayma düzlemi üzerine etkiyen normal ve kayma gerilmelerinin ortaklaşa etkisi sonucu ortaya çıkmaktadır. Zeminin kayma direnci-mukavemeti, göçme oluşmadan karşı koyabileceği en büyük kayma gerilmesi olarak tanımlanabilir. Başka bir ifade ile göçme düzlemi boyunca kaymaya karşı gösterilen dirençtir. σ τ τ f Göçme-Kayma yüzeyi boyunca oluşan kayma gerilmeleri (τ) Göçme anında kayma mukavemeti değerine τ f ulaşır.
4 KAYMA DİRENCİ - MUKAVEMETİ F 1, F, F 3...F n kuvvetleri etkisi altında aşağıdaki şekilde gösterilen zemin kütlesi üzerindeki kuvvetleri bir noktada bileşenlerine ayıralım. O noktasında yatayda α açısı yapan bir düzlem üzerindeki normal ve kayma bileşenlerine ayrılmış halini çizelim. F 1 O F F 3 Bir zemin kütlesinin herhangi bir noktadaki gerilme şartları o noktadan geçen düzlem üzerine etkiyen normal ve kayma gerilmeleri ile açıklanabilir. F 5 α H=σx*sinα F 4 N=σα*1 T=τ*1 +σ +τ V=σx*cosα α İşaret kuralı
5 KAYMA DİRENCİ - MUKAVEMETİ Jeo-Geoteknik Mühendisliğinde kullanılan kuvvetlerin büyük bir kısmı basınç olduğu için basınç kuvvetleri ve gerilmeleri pozitif gösterilmektedir. İşaret seçiminde ise pozitif kayma gerilmeleri, etkiledikleri cismi saatin tersi yönünde döndermeye çalışan gerilmelerdir ve saat yönündeki açılar pozitiftir. Gerilme analizi en kolay şekilde Mohr gerilme dairesiyle yapılır. Mohr gerilme dairesinin önemli ve yararlı özelliklerinden birisi de kutup noktasının belirlenebilmesidir. Mohr dairesini çizmek için iki gerilme noktasının bilinmesi yeterlidir.
6 KAYMA DİRENCİ - MUKAVEMETİ Toprak set Temel topuğu Yenilme yüzeyi mobilised shear resistance Yenilme anında yenilme yüzeyi boyunca meydana gelen makaslama gerilmesi makaslama dayanımına ulaşır.
7 ZEMİNLERİN KAYMA GERİLMESİ DEFORMASYON İLİŞKİSİ Zemin elastik bir malzeme değildir. Elasto-plastik malzeme olarak kabul edilmektedir. Elasto-Plastik Malzeme Plastik Malzeme
8 KAYMA DİRENCİ - MUKAVEMETİ Sürtünme Kavramı Yüzeyler arasındaki pürüzlülük arttıkça sürtünme direnci artacaktır. Cismin ağırlığı arttıkça sürtünme direnci artacaktır. Sürtünme Katsayısı Cismin harekete başladığı anda α=ɸ olacaktır FF = μμ. NN = tttttttt NN
9 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Zeminler için göçmeye yol açan normal ve kayma gerilmelerinin ortak etkisini gözönüne alan birçok hipotez geliştirilmiştir. Bunlar içinde en yaygın olarak kullanılanı Mohr-Coulomb göçme hipotezidir. Buna göre göçmeye yol açan normal ve kayma mukavemetinin sınır değerleri bir eğri ile gösterilmektedir. Bu grafikte normal gerilmeler yatay eksende, kayma gerilmeleri düşey eksende gösterilmektedir. Göçme zarfi olarak nitelendirilen bu eğrinin altında kalan gerilmeler için göçme ortaya çıkmazken, eğer gerilmeler bu eğriye ulaşmışsa göçme meydana gelmektedir. Zeminde bu eğrinin üzerinde bir gerilme hali oluşamayacağı açıktır. Göçme zarfı bir eğri şeklinde oluşmasına rağmen pratikte bu genellikle bir doğru olarak kabul edilmektedir. τ τ f = c + σ tanφ φ Sürtünme bileşeni kohezyon İçsel sürtünme acısı c τ f σ τ f zeminin normal gerilme altındaki maksimum kayma dayanımı σ
10 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ c ve φ makaslama dayanımının bir ölçüsüdür. Yüksek değerleri yüksek makaslama dayanımı demektir.
11 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Kayama düzleminin asal düzlemle yaptığı açı τ GL σ 1 Y 45 + φ/ Kayma Düzlemi φ σ 3 σ τ α φ c.cotφ σ 3 φ 90+φ σ 3 + σ σ 45 + φ/ Yenilme düzlemi yatayla 45 + φ/ kadar açı yapar
12 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Kayama düzleminin asal düzlemle yaptığı açı ττ ττ αα σσ αα σσ xx = σσ 1 σσ 3 σσ σσ 1 αα σσ yy = σσ 3 ττ αα, σσ αα Kutup αα αα σσ σσ yy = σσ 3 σσ xx = σσ 1 (σσ 3 +σσ 1 ) Yarıçap (σσ 1 σσ 3 ) Kayma Düzlemi
13 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ ττ αα, σσ αα RR RR = (σσ 1 σσ 3 ) cc σσ c.cotφ σσ 3 (σσ 3 +σσ 1 ) σσ 1 Göçmeye yol açan asal gerilme değerleri ile zeminin kayma mukavemeti parametreleri arasındaki ilişkiyi trigonometrik bağıntılar şeklinde ifade etmek mümkün olmaktadır. σ = σ tan (45 + φ / ) + c tan(45 + φ / 1 3 ) σ = σ tan (45 φ / ) c tan(45 φ / 3 1 )
14 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Mohr dairesi zarfa ulaşmaz ise zemin bileşeni yenilmez τ X Y Zemin elamanı farklı lokasyondaki X Y σ σ X ~ yenilme Y σ 3 σ 3 Y ~ sağlam
15 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Yükleme arttırıldığında Mohr dairesi büyür GL σ Yσ3 σ 3 σ 3..ve sonrasında Mohr dairesi zarfa ulaştığında yenilme gerçekleşir.
16 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Mohr dairesindeki σ ve σ σ v σ v u σ h σ h X X X = + u effektif gerilme Toplam gerilme σ h σ v σ h u σ v
17 MOHR-COULOMB GÖÇME HİPOTEZİ Mohr dairesindeki σ ve σ σ v σ v u σ h σ h X X X = + u
18 DİĞER YENİLME KRİTERLERİ Zeminler için uygulanabilirliği her durumda geçerli olan mohr hipotezini yıllar içerisinde başka teorilerde izlemiştir. Zeminin gevrek olmadığı kabulü ile bu teorilerden bazıları tablodaki gibidir. TEORİ MATEMATİK İFADESİ Tresca-Coulomb σσ 1 σσ 3 = kk 1 Geliştirilmiş Tresca (σσ 1 σσ 3 ) = kk (σσ 1 + σσ +σσ 3 ) Von Mises (σσ 1 σσ 3 ) +(σσ σσ 3 ) +(σσ 1 σσ ) = kk 3 Geliştirilmiş Von Mises (σσ 1 σσ 3 ) +(σσ σσ 3 ) +(σσ 1 σσ ) = kk 4 (σσ 1 + σσ + σσ 3 Mohr Coulomb (σσ 1 σσ 3 ) = kk 5 (σσ 1 + σσ 3 ) Girffit (GEVREK) σσ 1 = σσ tt σσ 1 + 3σσ 3 < 0 (σσ 1 σσ 3 ) = 8kk 6 (σσ 1 + 3σσ 3 > 0) σσ tt = Malzemenin çekme dayanımı k= denklem değişmezi
19 ÖRNEKLER Aşağıdaki şekilde gösterilen elemandan geçen ve yataydan saat yönünde 45 0 açı yapan düzlem üzerindeki normal ve kayma gerilmesini hesaplayınız. SORU τ ÇÖZÜM (P) (4,1) σ 1 4 (,-1) (4,-1) Gerilme Şartları Yatay düzlemdeki gerilmeler, σ=4 ve τ=1 dir. Bu noktalardan geçen bir yatay P noktasındaki kutbu verir. Ayrıca düşey düzlemdeki bilinen gerilmeler ve -1 inde kutbun yerini belirlemede kullanılabilir. Kutup nokatası belirlendikten sonra herhangi bir düzlemdeki gerilme şartları belirlenebilir. Söz konusu düzleme kutuptan çizilecek bir paralel istenilen düzlemdeki gerilmeleri (4, -1) verir.
20 ÖRNEKLER Bir zeminin dayanım parametreleri c =0 ve ɸ =30 0 dir. Bu zemindeki bir elemanda yenilmenin 45 0 yapan bir düzlem üzerinde ve σ f =10 kpa ile gerçekleştiğini varsayarak a. Yenilmedeki kayma gerilmesini b. Zemin elemanındaki asal gerilmelerin büyüklüğünü ve yönünü bulunuz. ÇÖZÜM τ σ=10kpa τ=5.77 kpa σ 3 τ P F A σ 3 =6.8 kpa O σ 1 E σ 1 =0 kpa σ 1. X ekseni üzerinde σ=10 kpa dan yenilme zarfını kesene kadar bir çizgi çizilirek A noktası bulunur. Elde edilen noktadan τ=5.77 kpa bulunur. Aynı sonuç yenilme zarfı denkleminden de elde edilir.. Mohr dairesi yenilme zarfına teyet olacaktır. Teyet noktası A olacaktır. Bu noktadan yenilme zarfına bir dik çıkarak X eksenine uzatarak aranan dairenin merkezi O bulunur. Merkezden OA yarı çaplı bir yay çizilir. Dairenin X eksenini kestiği yerler asal gerilmeleri ifade eder. 3. A noktası zemin elemanında 45 0 yapan düzlem üzerindeki gerilmeyi temsil ettiğinden A noktasından yatayla 45 0 açı yapan bir çizgi çekilir bunun mohr dairesini kestiği yer kutuptur (P). Majör ve Minör asal herilmelerin yönelimlerini elde etmek için PE vepf çizilir.
21 ÖRNEKLER Şekilde verilen eleman üzerine etkiyen kuvvetler σ 1 =5kPa σ 3 =1kPa olduğuna göre yatayla 35 0 olan düzleme etkiyen gerilmeleri bulunuz. ŞEKİL τ ÇÖZÜM 1 σ 1 =5kPa σ α =39 kpa C α= Yatay düzlem σ 3 =1kPa P 10 τ α =18.6 kpa A σ 1. Ölçekli olarak Mohr dairesi çizilmeli; (Daire merkezi= (σ 1 +σ )/= 3kPa; Dairenin yarıçapı= (σ 1 -σ )/= 0 kpa. σ 1 in etkidiği yatay düzlemden yola çıkarak kutup noktası (P) bulunur. Kutup nokasından α=35 0 eğimli doğru çizilerek aranılan gerilme değerleri (C) bulunur.
22 ÖRNEKLER Şekilde verilen eleman üzerine etkiyen kuvvetler σ 1 =5kPa σ 3 =1kPa olduğuna göre yatayla 35 0 olan düzleme etkiyen gerilmeleri bulunuz. ÇÖZÜM σσ αα = σσ 1 + σσ 3 + σσ 1 σσ 3 cccccccαα ττ αα = σσ 1 σσ 3 sssssssαα σσ αα = ccccccc 35 = kkkkkk ττ αα = 5 1 sssssss 35 = kkkkkk
23 ÖRNEKLER Bir önceki soruda verilen elemanın yatadan 0 0 etkiyen gerilmeleri bulunuz. döndülmesi durumunda düzleme ŞEKİL τ σ α =39 kpa ÇÖZÜM Yatay düzlem 10 P 70 0 C A τ α =18.6 kpa σ 1. Bir önceki gibi mohr dairesi çiziniz.. σ 1 in etkidiği yatay düzlemden yola çıkarak kutup noktasını (P) bulunuz. Büyük asal gerilme yatayla 0 0 açı yapmaktadır. AP doğrusundan 35 0 dönün C noktasını bulun. Aranılan gerilme değerleri C noktasının koordinatlarından bulunur. Değer uzayda yer değiştirme olmadığından bir önceki örnekle aynıdır.
GERİLME HALİ P A. lim A
GERİLME HALİ Şekilde görüldüğü gibi kuvvetler etkisi altında bulunan bir cismi göz önüne alalım ve bu cismi şekildeki gibi bir yüzey ile iki parçaya ayıralım. Ayırma yüzeyleri üzerinde, alana yayılı iç